Şarj bağlantılı cihaz - Charge-coupled device

Ultraviyole görüntüleme için kullanılan, kablo bağlantılı bir pakette özel olarak geliştirilmiş bir CCD

Bir şarjla bağlanmış cihaz ( CCD ) bir bir entegre devre bağlı veya bağlanmış, bir dizi ihtiva eden kondansatörler . Harici bir devrenin kontrolü altında, her kondansatör elektrik yükünü komşu bir kondansatöre aktarabilir . CCD sensörleri, dijital görüntülemede kullanılan önemli bir teknolojidir .

Bir CCD olarak görüntü sensörü , piksel ile temsil edilir p-katkılanık metal oksit yarı iletken (MOS) kapasitör . Bir CCD'nin temel yapı taşları olan bu MOS kapasitörleri , görüntü edinimi başladığında, gelen fotonların yarı iletken-oksit arayüzünde elektron yüklerine dönüştürülmesine izin vererek, tersine çevirme eşiğinin üzerinde önyargılıdır ; CCD daha sonra bu ücretleri okumak için kullanılır. CCD'ler ışık algılamaya izin veren tek teknoloji olmasa da, CCD görüntü sensörleri, yüksek kaliteli görüntü verilerinin gerekli olduğu profesyonel, tıbbi ve bilimsel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür tüketici ve profesyonel olarak daha az titiz kalite talepleri olan uygulamalarda , dijital kameralar , aktif piksel sensörleri olarak da bilinen, CMOS sensörleri (tamamlayıcı MOS sensörler), genel olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, CCD'lerin erken dönemde sahip olduğu büyük kalite avantajı zamanla daralmıştır ve 2010'ların sonlarından bu yana CMOS sensörleri, CCD görüntü sensörlerinin yerini büyük ölçüde veya tamamen değiştirmiş olan baskın teknolojidir.

Tarih

CCD'nin temeli , bir CCD'nin temel yapı taşları olan MOS kapasitörleri ve erken CCD cihazlarında fotodetektör olarak kullanılan tükenmiş bir MOS yapısı olan metal-oksit-yarı iletken (MOS) yapısıdır .

1960'ların sonlarında , Bell Laboratuarlarında Willard Boyle ve George E. Smith , yarı iletken kabarcık belleği üzerinde çalışırken MOS teknolojisini araştırıyorlardı . Elektrik yükünün manyetik balonun analojisi olduğunu ve bunun küçük bir MOS kondansatöründe depolanabileceğini anladılar. Bir dizi MOS kapasitörünü arka arkaya üretmek oldukça kolay olduğu için , bunlara uygun bir voltaj bağladılar, böylece yük birinden diğerine adım atabilirdi. Bu, 1969'da Boyle ve Smith tarafından şarj bağlantılı cihazın icadına yol açtı. Onlar, defterlerinde "Şarj 'Kabarcık' Cihazları" olarak adlandırdıkları şeyin tasarımını tasarladılar.

Nisan 1970'de kavramı açıklayan ilk makale, olası kullanımları bellek , gecikme hattı ve görüntüleme cihazı olarak sıraladı . Cihaz aynı zamanda bir shift register olarak da kullanılabilir . Tasarımın özü, bir yarı iletkenin yüzeyi boyunca yükü bir depolama kondansatöründen diğerine aktarma yeteneğiydi. Konsept, 1960'ların sonlarında Philips Araştırma Laboratuarlarında geliştirilen kovalı ekip cihazına (BBD) prensipte benzerdi .

İlkeyi gösteren ilk deneysel cihaz , tel bağlarıyla elektriksel olarak erişilen oksitlenmiş bir silikon yüzey üzerinde birbirine yakın aralıklı metal karelerden oluşan bir sıraydı . Bu gösterildi Gil Amelio , Michael Francis Tompsett Bu CCD ilk deneysel uygulama oldu Nisan 1970. yılında ve George Smith görüntü sensörü teknolojisi ve fotodetektör gibi tükenmiş MOS yapı kullanılır. CCD'lerin görüntülemeye uygulanmasına ilişkin ilk patent ( ABD Patenti 4,085,456 ) 1971'de başvuruyu yapan Tompsett'e verildi.

Entegre devre teknolojisi ile yapılan ilk çalışan CCD , Ağustos 1970'de Tompsett, Amelio ve Smith tarafından rapor edilen, basit bir 8-bit kaydırmalı yazmaçtı. Bu cihazın giriş ve çıkış devreleri vardı ve bir kaydırma yazmacı olarak kullanımını göstermek için kullanıldı. ham sekiz piksel doğrusal görüntüleme cihazı. Cihazın gelişimi hızlı bir şekilde ilerledi. 1971 yılına gelindiğinde, Michael Tompsett liderliğindeki Bell araştırmacıları, basit doğrusal cihazlarla görüntü yakalamayı başardılar. Fairchild Semiconductor , RCA ve Texas Instruments dahil olmak üzere birçok şirket buluşu aldı ve geliştirme programlarına başladı. Fairchild'in eski Bell araştırmacısı Gil Amelio tarafından yönetilen çabası, ticari cihazlarla ilk oldu ve 1974'te doğrusal 500 elemanlı bir cihaza ve 2 boyutlu 100 × 100 pikselli bir cihaza sahipti. Kodak için çalışan bir elektrik mühendisi olan Steven Sasson , 1975'te Fairchild 100 × 100 CCD kullanarak ilk dijital fotoğraf makinesini icat etti .

Hatlar arası transfer (ILT) CCD cihazı, L. Walsh ve R. Dyck tarafından Fairchild'de 1973'te bulaşmayı azaltmak ve mekanik bir deklanşörü ortadan kaldırmak için önerildi . Parlak ışık kaynaklarından bulaşmayı daha da azaltmak için, çerçeve-arası-aktarım (FIT) CCD mimarisi, 1981 yılında Matsushita'da (şimdi Panasonic) K. Horii, T. Kuroda ve T. Kunii tarafından geliştirilmiştir .

Görüntüleme için şarj bağlantılı cihaz dizisi ( 800 × 800 piksel) teknolojisiyle donatılmış ilk KH-11 KENNEN keşif uydusu Aralık 1976'da piyasaya sürüldü. Kazuo Iwama'nın önderliğinde Sony , önemli bir yatırım içeren CCD'ler üzerinde büyük bir geliştirme çalışması başlattı. Sonunda Sony, kameraları için CCD'leri toplu olarak üretmeyi başardı . Bu olmadan önce, Iwama Ağustos 1982'de öldü; daha sonra, katkısını kabul etmek için mezar taşına bir CCD çipi yerleştirildi. İlk seri üretilen tüketici CCD video kamerası olan CCD-G5, 1981'de Yoshiaki Hagiwara tarafından geliştirilen bir prototipe dayalı olarak 1983'te Sony tarafından piyasaya sürüldü.

Erken CCD sensörleri deklanşör gecikmesinden muzdaripti . Bu, sabitlenmiş fotodiyotun (PPD) icadıyla büyük ölçüde çözüldü . Bu tarafından icat edilmiştir Nobukazu Teranishi de Hiromitsu Shiraki ve Yasuo Ishihara NEC 1980'de Bunlar, sinyal taşıyıcı aktarılabilir eğer gecikme elimine edilebileceği kabul fotodiyot CCD. Bu, düşük gecikme, düşük gürültü , yüksek kuantum verimliliği ve düşük karanlık akıma sahip bir fotodedektör yapısı olan sabitlenmiş fotodiyodu icat etmelerine yol açtı . İlk kez 1982 yılında Teranishi ve Ishihara tarafından A. Kohono, E. Oda ve K. Arai ile çiçeklenme önleyici bir yapının eklenmesiyle kamuoyuna rapor edilmiştir. NEC'de icat edilen yeni fotodetektör yapısına 1984 yılında Kodak'ta BC Burkey tarafından "sabitlenmiş fotodiyot" (PPD) adı verildi. 1987'de PPD çoğu CCD cihazına dahil edilmeye başlandı, tüketici elektronik video kameralarında bir fikstür haline geldi ve daha sonra dijital hareketsiz kameralar . O zamandan beri, PPD neredeyse tüm CCD sensörlerinde ve ardından CMOS sensörlerinde kullanılmıştır .

Ocak 2006'da Boyle ve Smith, Ulusal Mühendislik Akademisi Charles Stark Draper Ödülü'ne layık görüldü ve 2009'da CCD konseptini icat ettikleri için Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldüler . Michael Tompsett, ilk CCD görüntüleyicilerin tasarımı ve geliştirilmesi de dahil olmak üzere, öncü çalışmaları ve elektronik teknolojileri nedeniyle 2010 Ulusal Teknoloji ve Yenilik Madalyası'na layık görüldü . Ayrıca "CCD Görüntüleyiciler, kameralar ve termal görüntüleyiciler de dahil olmak üzere görüntüleme cihazlarına öncü katkıları" nedeniyle 2012 IEEE Edison Madalyası'na layık görüldü .

Operasyonun temelleri

Yük paketleri (elektronlar, mavi) , kapı elektrotlarına (G) pozitif voltaj uygulanarak oluşturulan potansiyel kuyularda (sarı) toplanır . Kapı elektroduna doğru sırayla pozitif voltaj uygulamak, şarj paketlerini aktarır.

Görüntüleri yakalamak için bir CCD'de, fotoaktif bir bölge ( epitaksiyel silikon tabakası) ve bir kaydırma yazmacından yapılmış bir iletim bölgesi (gerçek anlamda CCD) vardır.

Bir mercek aracılığıyla kapasitör dizisine (fotoaktif bölge) bir görüntü yansıtılır ve her bir kondansatörün o konumdaki ışık yoğunluğuyla orantılı bir elektrik yükü biriktirmesine neden olur . Çizgi tarama kameralarında kullanılan tek boyutlu dizi, görüntünün tek bir dilimini yakalarken, video ve hareketsiz kameralarda kullanılan iki boyutlu dizi, odak düzlemine yansıtılan sahneye karşılık gelen iki boyutlu bir resim yakalar. sensörün. Dizi görüntüye maruz kaldığında, bir kontrol devresi her kapasitörün içeriğini komşusuna (bir kaydırma yazmacı olarak çalışarak) aktarmasına neden olur. Dizideki son kapasitör, yükünü , yükü bir voltaja dönüştüren bir yük yükselticisine boşaltır . Bu işlemi tekrarlayarak, kontrol devresi yarı iletkendeki dizinin tüm içeriğini bir dizi gerilime dönüştürür. Dijital bir cihazda, bu voltajlar daha sonra örneklenir, sayısallaştırılır ve genellikle bellekte saklanır; bir analog cihazda (bir analog video kamera gibi), sürekli bir analog sinyale işlenirler (örneğin, şarj yükselticisinin çıkışını bir alçak geçiren filtreye besleyerek), bu daha sonra işlenir ve diğer devrelere beslenir. iletim, kayıt veya diğer işlemler.

Ayrıntılı operasyon fiziği

Sony ICX493AQA 10,14 megapiksel APS-C (23,4 × 15,6 mm) Sony α DSLR-A200 veya DSLR-A300 dijital fotoğraf makinesinden CCD , sensör tarafı

Şarj üretimi

MOS kapasitörler ışık maruz önce, vardır önyargılı tükenme bölgeye; n-kanallı CCD'lerde , öngerilim geçidinin altındaki silikon, hafifçe p- katkılıdır veya içseldir. Kapı sonra sonunda bir oluşturulması ile sonuçlanır güçlü ters eşiğinin yukarıdaki pozitif bir potansiyelde bastırılmaktadır n, bir deki gibi kapı altında kanal MOSFET . Ancak, bu termal dengeye ulaşmak zaman alır: düşük sıcaklıkta soğutulan üst düzey bilimsel kameralarda saatlere kadar. Başlangıçta, bastırmadan sonra, delikler alt tabakanın çok içine itilir ve yüzeyde veya yüzeyin yakınında hareketli elektronlar yoktur; CCD bu nedenle derin tükenme adı verilen denge dışı bir durumda çalışır. Daha sonra, tükenme bölgesinde elektron-boşluk çiftleri oluşturulduğunda, bunlar elektrik alanı ile ayrılır, elektronlar yüzeye doğru hareket eder ve delikler alt tabakaya doğru hareket eder. Dört çift oluşturma süreci tanımlanabilir:

  • foto-jenerasyon ( kuantum verimliliğinin %95'ine kadar ),
  • tükenme bölgesinde nesil,
  • yüzeyde nesil ve
  • nötr toplu nesil.

Son üç süreç karanlık akım üretimi olarak bilinir ve görüntüye gürültü ekler; toplam kullanılabilir entegrasyon süresini sınırlayabilirler. Yüzeyde veya yakınında elektron birikimi, görüntü entegrasyonu bitene ve yük transfer edilmeye başlayana veya termal dengeye ulaşılana kadar devam edebilir. Bu durumda kuyunun dolu olduğu söylenir. Her bir kuyucuk maksimum kapasitesi tipik olarak 10 ila yaklaşık iyi derin olarak bilinen 5 piksel başına elektron.

Tasarım ve üretim

Bir CCD'nin fotoaktif bölgesi, genellikle epitaksiyel bir silikon tabakasıdır . Hafifçe p katkılıdır (genellikle bor ile ) ve genellikle p++ olan bir substrat malzemesi üzerinde büyütülür . Çoğu modern CCD'de kullanılan tasarım türü olan gömülü kanallı cihazlarda, silikon yüzeyinin belirli bölgeleri fosfor ile iyon implante edilir ve onlara n-katkılı bir atama verilir. Bu bölge, fotojenere yük paketlerinin seyahat edeceği kanalı tanımlar. Simon Sze , gömülü kanallı bir cihazın avantajlarını detaylandırıyor:

Bu ince tabaka (= 0,2-0,3 mikron) tamamen tükenir ve biriken fotojenerasyon yükü yüzeyden uzak tutulur. Bu yapı, azaltılmış yüzey rekombinasyonundan dolayı daha yüksek transfer verimliliği ve daha düşük karanlık akım avantajlarına sahiptir. Ceza, yüzey kanallı CCD'ye kıyasla 2-3 kat daha küçük şarj kapasitesidir.

Geçit oksit, yani kapasitör dielektrik , epitaksiyel tabaka ve substratın üstünde büyütülür.

İşlemin ilerleyen aşamalarında , polisilikon kapılar kimyasal buhar biriktirme ile biriktirilir , fotolitografi ile desenlenir ve ayrı aşamalı kapılar kanallara dik olacak şekilde kazınır. Kanallar , kanal durdurma bölgesini üretmek için LOCOS işleminin kullanılmasıyla ayrıca tanımlanır .

Kanal durakları, bir sütundaki şarj paketlerini diğerindekilerden ayırmaya yarayan termal olarak büyütülmüş oksitlerdir . LOCOS işlemi, kapı malzemesini yok edecek bir yüksek sıcaklık adımı kullandığından, bu kanal durdurucuları polisilikon kapılar yapılmadan önce üretilir. Kanal durakları, kanal veya "yük taşıyan" bölgelere paraleldir ve bu bölgelerin dışındadır.

Kanal duraklarının genellikle altında p+ katkılı bir bölge bulunur ve bu, şarj paketlerindeki elektronlara daha fazla engel sağlar (CCD cihazlarının fiziğine ilişkin bu tartışma, delik aktarımı mümkün olsa da bir elektron aktarım cihazı olduğunu varsayar ).

Kapıların dönüşümlü olarak yüksek ve düşük saat ayarı, gömülü kanal (n-katkılı) ve epitaksiyel katman (p-katkılı) tarafından sağlanan diyotu ileri ve geri saptıracaktır. Bu, CCD'nin p-n bağlantısı yakınında tükenmesine neden olacak ve şarj paketlerini cihazın kapılarının altında - ve kanalları içinde - toplayacak ve hareket ettirecektir.

CCD üretimi ve çalışması farklı kullanımlar için optimize edilebilir. Yukarıdaki işlem, bir çerçeve transfer CCD'sini tanımlar. CCD'ler yoğun katkılı bir p++ levha üzerinde üretilebilirken, bir n-gofret üzerine yerleştirilmiş p-kuyularının içinde bir cihaz üretmek de mümkündür. Bildirildiğine göre, bu ikinci yöntem yayma, karanlık akımı ve kızılötesi ve kırmızı tepkiyi azaltır . Bu üretim yöntemi, hatlar arası aktarım cihazlarının yapımında kullanılır.

CCD'nin başka bir versiyonuna peristaltik CCD denir. Bir peristaltik yük-bağlı cihazda, yük-paket transfer işlemi sindirim sisteminin peristaltik kasılması ve genişlemesine benzer . Peristaltik CCD, yükü silikon/ silikon dioksit arayüzünden uzak tutan ve bir kapıdan diğerine büyük bir yanal elektrik alanı oluşturan ek bir implanta sahiptir . Bu, şarj paketlerinin transferine yardımcı olmak için ek bir itici güç sağlar.

Mimari

2.1 megapiksel Argus dijital kameradan CCD
Bir faks makinesinden tek boyutlu CCD görüntü sensörü

CCD görüntü sensörleri birkaç farklı mimaride uygulanabilir. En yaygın olanları tam çerçeve, çerçeve aktarımı ve ara satırdır. Bu mimarilerin her birinin ayırt edici özelliği, kepenk sorununa yaklaşımlarıdır.

Tam çerçeve bir cihazda, tüm görüntü alanı etkindir ve elektronik deklanşör yoktur. Bu tip sensöre mekanik bir obtüratör eklenmeli veya cihaz saatli veya sesli olarak görüntülendiğinden görüntü bulaşıyor.

Çerçeve transfer CCD ile silikon alanın yarısı opak bir maske (tipik olarak alüminyum) ile kaplanır. Görüntü, birkaç yüzde kabul edilebilir leke ile görüntü alanından opak alana veya depolama bölgesine hızlı bir şekilde aktarılabilir. Yeni bir görüntü aktif alana entegre edilirken veya açığa çıkarken bu görüntü depolama bölgesinden yavaşça okunabilir. Çerçeve aktarım cihazları tipik olarak mekanik bir deklanşör gerektirmez ve erken katı hal yayın kameraları için yaygın bir mimariydi. Çerçeve aktarım mimarisinin dezavantajı, eşdeğer bir tam çerçeve aygıtın iki katı silikon alanı gerektirmesidir; bu nedenle, kabaca iki katı kadar maliyeti vardır.

Interline mimarisi, bu konsepti bir adım daha ileriye taşıyor ve depolama için görüntü sensörünün diğer tüm sütunlarını maskeliyor. Bu cihazda, görüntü alanından depolama alanına aktarım için yalnızca bir piksel kaymasının gerçekleşmesi gerekir; bu nedenle, deklanşör süreleri bir mikrosaniyeden daha az olabilir ve bulaşma esasen ortadan kaldırılır. Bununla birlikte, avantaj ücretsiz değildir, çünkü görüntüleme alanı artık dolgu faktörünü yaklaşık yüzde 50'ye ve etkin kuantum verimini eşdeğer bir miktarda düşüren opak şeritlerle kaplıdır . Modern tasarımlar, ışığı opak bölgelerden ve aktif alandan uzağa yönlendirmek için cihazın yüzeyine mikro lensler ekleyerek bu zararlı özelliği ele almıştır. Mikro lensler, piksel boyutuna ve genel sistemin optik tasarımına bağlı olarak doldurma faktörünü yüzde 90'a veya daha fazlasına geri getirebilir.

Mimari seçimi, faydalardan birine iner. Uygulama pahalı, arızaya meyilli, yoğun güç tüketen bir mekanik deklanşöre tahammül edemiyorsa, bir interline cihaz doğru seçimdir. Tüketici anlık görüntü kameraları interline cihazları kullanmıştır. Öte yandan, mümkün olan en iyi ışık toplamayı gerektiren ve para, güç ve zaman konularının daha az önemli olduğu uygulamalar için tam çerçeve cihaz doğru seçimdir. Gökbilimciler tam çerçeve cihazları tercih etme eğilimindedir. Çerçeve aktarımı, ara hat cihazlarının dolum faktörü sorunu ele alınmadan önce, arada kalıyor ve yaygın bir seçimdi. Bugün, çerçeve aktarımı genellikle, arkadan aydınlatmalı bir cihazda olduğu gibi, hatlar arası bir mimari mevcut olmadığında seçilir.

Piksel ızgaraları içeren CCD'ler , dijital kameralarda , optik tarayıcılarda ve video kameralarda ışık algılama cihazları olarak kullanılır. Genellikle gelen ışığın yüzde 70'ine yanıt verirler (yani yaklaşık yüzde 70'lik bir kuantum verimliliği), onları gelen ışığın yalnızca yüzde 2'sini yakalayan fotoğraf filminden çok daha verimli hale getirir .

En yaygın CCD türleri, kızılötesi fotoğrafçılığına , gece görüş cihazlarına ve sıfır lüks (veya sıfır lükse yakın) video kaydına/fotoğrafçılığına izin veren yakın kızılötesi ışığa duyarlıdır . Normal silikon bazlı dedektörler için hassasiyet 1,1 μm ile sınırlıdır. Kızılötesine duyarlılıklarının bir başka sonucu da, kızılötesi engelleyicileri yoksa , uzaktan kumandalardan gelen kızılötesinin CCD tabanlı dijital kameralarda veya video kameralarda sıklıkla görünmesidir.

Soğutma, dizinin karanlık akımını azaltarak, ultraviyole ve görünür dalga boyları için bile CCD'nin düşük ışık yoğunluklarına duyarlılığını artırır. Profesyonel gözlemevleri , karanlık akımı ve dolayısıyla termal gürültüyü ihmal edilebilir seviyelere düşürmek için dedektörlerini genellikle sıvı nitrojen ile soğutur .

Çerçeve aktarımı CCD

Bir çerçeve transfer CCD sensörü

Çerçeve transfer CCD görüntüleyici, Bell Laboratuvarlarında Michael Tompsett tarafından CCD Görüntüleme için önerilen ilk görüntüleme yapısıydı. Bir çerçeve aktarım CCD sıklıkla kullanılan özel bir CCD olduğu astronomi ve bazı profesyonel video kameralar , yüksek maruziyet verimliliği ve doğruluğu için tasarlanmış.

Bir CCD'nin astronomik veya başka türlü normal işleyişi iki aşamaya ayrılabilir: pozlama ve okuma. Birinci aşamada, CCD pasif gelen toplar fotonları depolanması, elektronları kendi hücreleri içerisinde. Maruz kalma süresi geçtikten sonra, hücreler her seferinde bir satır okunur. Okuma aşaması sırasında, hücreler CCD'nin tüm alanı boyunca aşağı kaydırılır. Yer değiştirirken, ışık toplamaya devam ederler. Bu nedenle, kaydırma yeterince hızlı değilse, aktarım sırasında hücre tutma yüküne düşen ışıktan kaynaklanan hatalar meydana gelebilir. Bu hatalara "dikey leke" denir ve güçlü bir ışık kaynağının tam konumunun üstünde ve altında dikey bir çizgi oluşturmasına neden olur. Ayrıca CCD, okunurken ışık toplamak için kullanılamaz. Ne yazık ki, daha hızlı bir kaydırma, daha hızlı bir okuma gerektirir ve daha hızlı bir okuma, hücre şarj ölçümünde hatalara neden olarak daha yüksek bir gürültü seviyesine yol açabilir.

Çerçeve transferi CCD her iki sorunu da çözer: ışığa maruz kalan alan kadar hücre içeren korumalı, ışığa duyarlı olmayan bir alana sahiptir. Tipik olarak, bu alan alüminyum gibi yansıtıcı bir malzeme ile kaplanır. Maruz kalma süresi dolduğunda, hücreler çok hızlı bir şekilde gizli alana aktarılır. Burada, gelen herhangi bir ışıktan korunan hücreler, hücrelerin yükünü doğru bir şekilde ölçmek için gerekli görülen herhangi bir hızda okunabilir. Aynı zamanda, CCD'nin açıkta kalan kısmı tekrar ışık toplar, bu nedenle ardışık pozlamalar arasında gecikme olmaz.

Böyle bir CCD'nin dezavantajı daha yüksek maliyettir: hücre alanı temelde iki katına çıkar ve daha karmaşık kontrol elektroniğine ihtiyaç vardır.

Yoğunlaştırılmış şarj bağlantılı cihaz

Yoğunlaştırılmış şarj bağlantılı cihaz (ICCD), CCD'nin önüne monte edilmiş bir görüntü yoğunlaştırıcıya optik olarak bağlı bir CCD'dir.

Bir görüntü yoğunlaştırıcı, üç işlevsel öğe içerir: bir foto katot , bir mikro kanal plakası (MCP) ve bir fosfor ekranı. Bu üç eleman, belirtilen sıra ile arka arkaya yakın monte edilir. Işık kaynağından gelen fotonlar foto katoda düşerek fotoelektronlar oluşturur. Fotoelektronlar, fotokatot ve MCP arasına uygulanan bir elektrik kontrol voltajı ile MCP'ye doğru hızlandırılır. Elektronlar MCP'nin içinde çarpılır ve daha sonra fosfor ekranına doğru hızlandırılır. Fosfor ekranı sonunda, çoğaltılan elektronları, bir fiber optik veya bir lens tarafından CCD'ye yönlendirilen fotonlara geri dönüştürür.

Bir görüntü yoğunlaştırıcı doğal olarak bir deklanşör işlevi içerir : Fotokatot ve MCP arasındaki kontrol voltajı tersine çevrilirse, yayılan fotoelektronlar MCP'ye doğru hızlandırılmaz, ancak foto katoda geri döner. Böylece, MCP tarafından hiçbir elektron çoğaltılmaz ve yayılmaz, fosfor ekranına hiçbir elektron gitmez ve görüntü yoğunlaştırıcıdan hiçbir ışık yayılmaz. Bu durumda CCD üzerine ışık düşmez, bu da deklanşörün kapalı olduğu anlamına gelir. Fotokatottaki kontrol voltajını tersine çevirme işlemine geçitleme denir ve bu nedenle ICCD'lere geçitlenebilir CCD kameralar da denir.

ICCD kameraların, tek foton algılamayı mümkün kılan son derece yüksek hassasiyetinin yanı sıra, geçitlenebilirlik, ICCD'nin EMCCD kameralara göre en büyük avantajlarından biridir . En yüksek performanslı ICCD kameralar, 200 pikosaniye kadar kısa deklanşör sürelerine olanak tanır .

ICCD kameraları, pahalı görüntü yoğunlaştırıcıya ihtiyaç duydukları için genel olarak EMCCD kameralardan biraz daha yüksektir. Öte yandan, EMCCD kameraları, EMCCD yongasını 170 K (−103  °C ) civarındaki sıcaklıklara kadar soğutmak için bir soğutma sistemine ihtiyaç duyar  . Bu soğutma sistemi, EMCCD kamerasına ek maliyetler ekler ve genellikle uygulamada ağır yoğuşma sorunlarına yol açar.

ICCD'ler gece görüş cihazlarında ve çeşitli bilimsel uygulamalarda kullanılmaktadır.

Elektron çoğaltan CCD

Elektronlar, bir EMCCD'nin çarpma kaydını oluşturan kazanç aşamaları boyunca seri olarak aktarılır . Bu seri aktarımlarda kullanılan yüksek voltajlar, darbe iyonizasyonu yoluyla ek yük taşıyıcılarının oluşturulmasına neden olur.
bir EMCCD'de , verilen (sabit) sayıda giriş elektronu (sağdaki açıklamada gösterilmiştir) için çarpma kaydı tarafından çıkan elektron sayısında bir dağılım (değişim) vardır. Çıkış elektronlarının sayısı için olasılık dağılımı , bir çarpma kaydının simülasyonu için dikey eksende logaritmik olarak çizilir . Ayrıca , bu sayfada gösterilen ampirik uyum denkleminin sonuçları da gösterilmektedir .

Bir elektron çarparak CCD (bir L3Vision CCD, E2V Ltd., GB, L3CCD veya Impactron CCD, Texas Instruments tarafından geçmişte sunulan bir artık durdurulan ürüne tarafından satılan bir ürün olarak da bilinir EMCCD) bir yükle-birleştirilmiş cihaz olup kaydırma yazmacı ve çıkış yükselticisi arasına bir kazanç kaydının yerleştirildiği. Kazanç kaydı çok sayıda aşamaya bölünmüştür. Her aşamada elektronlar, çığ diyotuna benzer şekilde darbeli iyonizasyon ile çarpılır . Kaydının her aşamasında kazanç olasılığı küçüktür ( P < % 2), ancak eleman sayısı büyük olduğu için (N > 500), toplam kazanç çok yüksek olabilir ( ), tek giriş elektronları binlerce verir. çıkış elektronları. Bir CCD'den bir sinyal okumak, tipik olarak birkaç elektron olan bir gürültü arka planı verir. Bir EMCCD'de, bu gürültü tek bir elektron yerine binlerce elektronun üzerine bindirilir; cihazların birincil avantajı bu nedenle ihmal edilebilir okuma gürültüsüdür. Fotoğraf yüklerinin amplifikasyonu için çığ dökümünün kullanımı, George E. Smith/Bell Telephone Laboratories tarafından 1973'te 3,761,744 sayılı ABD Patentinde zaten anlatılmıştı .

EMCCD'ler, yoğunlaştırılmış CCD'lere (ICCD'ler) benzer bir hassasiyet gösterir . Ancak, ICCD'lerde olduğu gibi, kazanç kaydında uygulanan kazanç stokastiktir ve bir pikselin yüküne uygulanan kesin kazancın bilinmesi imkansızdır. Yüksek kazançlarda (> 30), bu belirsizlik sinyal-gürültü oranı (SNR) üzerinde , birlik kazancıyla çalışmaya göre kuantum verimliliğini (QE) yarıya indirmekle aynı etkiye sahiptir . Bununla birlikte, çok düşük ışık seviyelerinde (kuantum verimliliğinin en önemli olduğu yerde), bir pikselin elektron içerdiği veya içermediği varsayılabilir. Bu, aynı pikseldeki birden fazla elektronu tek bir elektron olarak sayma riskinde stokastik çarpma ile ilişkili gürültüyü ortadan kaldırır. Bu çalışma modunda çakışan fotonlar nedeniyle bir pikselde birden fazla sayımdan kaçınmak için yüksek kare hızları gereklidir. Kazançtaki dağılım sağdaki grafikte gösterilmiştir. Birçok elemanlı ve büyük kazançlı çarpma kayıtları için, denklem ile iyi bir şekilde modellenmiştir:

Eğer

burada P , m giriş elektronu ve toplam ortalama çarpım kaydı kazancı g verilen n çıkış elektronu alma olasılığıdır .

Daha düşük maliyetler ve daha iyi çözünürlük nedeniyle, EMCCD'ler birçok uygulamada ICCD'lerin yerini alabilir. ICCD'ler hala çok hızlı kapılanabilme avantajına sahiptir ve bu nedenle menzil kapılı görüntüleme gibi uygulamalarda faydalıdır . EMCCD kameraları , çipi −65 ila −95 °C (−85 ila −139 °F) aralığındaki sıcaklıklara soğutmak için termoelektrik soğutma veya sıvı nitrojen kullanan bir soğutma sistemine kaçınılmaz olarak ihtiyaç duyar . Bu soğutma sistemi ne yazık ki EMCCD görüntüleme sistemine ek maliyetler eklemekte ve uygulamada yoğuşma sorunlarına yol açabilmektedir. Bununla birlikte, üst düzey EMCCD kameralar, yoğuşma sorunlarını önlemek için çipi sınırlayan kalıcı bir hermetik vakum sistemi ile donatılmıştır.

EMCCD'lerin düşük ışık yetenekleri, diğer alanların yanı sıra astronomi ve biyomedikal araştırmalarda kullanım bulur. Özellikle, yüksek okuma hızlarındaki düşük gürültüleri, onları düşük ışık kaynakları ve soluk yıldızların şanslı görüntülemesi , yüksek hızlı foton sayma fotometrisi, Fabry-Pérot spektroskopisi ve yüksek çözünürlüklü spektroskopi gibi geçici olayları içeren çeşitli astronomik uygulamalar için çok faydalı kılar. . Daha yakın zamanlarda, bu tip CCD'ler, küçük hayvan görüntüleme , tek moleküllü görüntüleme , Raman spektroskopisi , süper çözünürlüklü mikroskopi ve ayrıca daha büyük sayesinde çok çeşitli modern floresan mikroskopi teknikleri dahil olmak üzere düşük ışıklı uygulamalarda biyomedikal araştırma alanına girdi. Geleneksel CCD'ler ve ICCD'lere kıyasla düşük ışık koşullarında SNR.

Gürültü açısından, ticari EMCCD kameralar tipik olarak saat kaynaklı şarja (CIC) ve karanlık akıma (soğutma derecesine bağlı olarak) sahiptir ve bunlar birlikte okunan piksel başına 0,01 ila 1 elektron arasında değişen etkili bir okuma gürültüsüne yol açar. Ancak, EMCCD teknolojisindeki son gelişmeler, önemli ölçüde daha az CIC, daha yüksek yük transfer verimliliği ve daha önce mevcut olandan 5 kat daha yüksek bir EM kazancı üretebilen yeni nesil kameralara yol açmıştır. Düşük ışık algılamasındaki bu ilerlemeler, okunan piksel başına 0,001 elektronluk etkin bir toplam arka plan gürültüsüne yol açar; bu, diğer düşük ışıklı görüntüleme cihazlarının ulaşamadığı bir gürültü tabanıdır.

astronomide kullanın

Sloan Digital Sky Survey teleskop görüntüleme kamerasında kullanılan 30 CCD dizisi, "sürüklenme taraması" örneği.

Yük-bağlı aygıtın (CCD) yüksek kuantum verimliliğinden dolayı (ideal kuantum verimliliği %100'dür, gelen foton başına bir elektron üretilir), çıkışlarının doğrusallığı, fotoğraf plakalarına kıyasla kullanım kolaylığı ve diğer çeşitli nedenler CCD'ler, neredeyse tüm UV-kızılötesi uygulamalar için gökbilimciler tarafından çok hızlı bir şekilde benimsendi.

Termal gürültü ve kozmik ışınlar CCD dizisindeki pikselleri değiştirebilir. Bu tür etkilere karşı koymak için, gökbilimciler CCD deklanşörü kapalı ve açıkken birkaç poz alırlar. Rastgele gürültüyü azaltmak için deklanşör kapalıyken çekilen görüntülerin ortalaması gereklidir. Geliştirildikten sonra, karanlık çerçeve ortalama görüntüsü, CCD'deki karanlık akımı ve diğer sistematik kusurları ( ölü pikseller , sıcak pikseller, vb.) ortadan kaldırmak için açık deklanşör görüntüsünden çıkarılır . Daha yeni Skipper CCD'ler, aynı toplanan şarjla birden çok kez veri toplayarak gürültüye karşı koyar ve hassas ışıklı Karanlık Madde aramaları ve nötrino ölçümlerinde uygulamalara sahiptir.

Özellikle Hubble Uzay Teleskobu , ham CCD verilerini kullanışlı görüntülere dönüştürmek için oldukça gelişmiş bir dizi adıma (“veri azaltma hattı”) sahiptir.

Astrofotoğrafçılıkta kullanılan CCD kameralar , çoğu görüntüleme platformunun muazzam ağırlığının yanı sıra rüzgar ve diğer kaynaklardan gelen titreşimlerle başa çıkmak için genellikle sağlam montaj parçaları gerektirir. Birçok gökbilimci, galaksilerin ve bulutsuların uzun pozlamalarını almak için otomatik kılavuzlama olarak bilinen bir teknik kullanır . Çoğu otomatik kılavuz, görüntüleme sırasında sapmaları izlemek için ikinci bir CCD çipi kullanır. Bu çip, izlemedeki hataları hızla algılayabilir ve montaj motorlarına bunları düzeltmeleri için komut verebilir.

Sürüklenme taraması olarak adlandırılan CCD'lerin alışılmadık bir astronomik uygulaması, sabit bir teleskopun izleme teleskopu gibi davranmasını ve gökyüzünün hareketini izlemesini sağlamak için bir CCD kullanır. CCD'deki yükler, gökyüzünün hareketine paralel bir yönde ve aynı hızda aktarılır ve okunur. Bu şekilde teleskop, gökyüzünün normal görüş alanından daha geniş bir bölgesini görüntüleyebilir. Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması gökyüzünün dörtte üzerinde bir anket üretmek için tekniği kullanılarak, bu en ünlü örneğidir.

Görüntüleyicilere ek olarak, CCD'ler ayrıca spektrometreler ve interferometreler de dahil olmak üzere bir dizi analitik enstrümantasyonda kullanılır .

Renkli kameralar

Bir Bayer filtre , bir CCD
240 hatlı Sony CCD PAL Video Kamera CCD sensöründe bir RGGB Bayer filtresinin x80 mikroskop görünümü

Dijital renkli kameralar genellikle CCD üzerinde bir Bayer maskesi kullanır . Dört piksellik her karede bir filtrelenmiş kırmızı, bir mavi ve iki yeşil bulunur ( insan gözü yeşile kırmızı veya maviden daha duyarlıdır). Bunun sonucu, parlaklık bilgisinin her pikselde toplanması, ancak renk çözünürlüğünün parlaklık çözünürlüğünden daha düşük olmasıdır.

Daha iyi renk ayrımı üç CCD cihazlar (ulaşılabilir 3CCD ) ve bir dikroik ışın bölücü prizma böler, görüntüyü içine kırmızı , yeşil ve mavi bileşenleri. Üç CCD'nin her biri belirli bir renge yanıt verecek şekilde düzenlenmiştir. Rakip CMOS teknolojisindeki gelişmeler, hem hüzme ayırıcılı hem de bayer filtreli CMOS sensörlerini üst düzey video ve dijital sinema kameralarında giderek daha popüler hale getirmesine rağmen, birçok profesyonel video kamera ve bazı yarı profesyonel video kameralar bu tekniği kullanır. 3CCD'nin bir Bayer maske cihazına göre bir başka avantajı, daha yüksek kuantum verimliliğidir (daha yüksek ışık hassasiyeti), çünkü mercekten gelen ışığın çoğu silikon sensörlerden birine girerken, bir Bayer maskesi yüksek oranda (2/3'ten fazla) emer. her piksel konumuna düşen ışık.

Hareketsiz sahneler için, örneğin mikroskopta, bir Bayer maske cihazının çözünürlüğü, mikro tarama teknolojisi ile geliştirilebilir . Renkli ortak site örnekleme işlemi sırasında, sahnenin birkaç karesi üretilir. Alımlar arasında, sensör piksel boyutlarında hareket ettirilir, böylece görsel alandaki her nokta, renginin kırmızı, yeşil ve mavi bileşenlerine duyarlı maske elemanları tarafından ardışık olarak elde edilir. Sonunda görüntüdeki her piksel her renkte en az bir kez taranır ve üç kanalın çözünürlüğü eşdeğer hale gelir (yeşil kanal iki katına çıkarken kırmızı ve mavi kanalların çözünürlükleri dört katına çıkar).

Sensör boyutları

Sensörler (CCD / CMOS) çeşitli boyutlarda veya görüntü sensörü formatlarında gelir. Bu boyutlar genellikle optik format olarak adlandırılan 1/1.8" veya 2/3" gibi bir inç kesir gösterimi ile anılır . Bu ölçüm, 1950'lere ve Vidicon tüplerinin zamanına dayanmaktadır .

Çiçeklenme

Dikey yayma

CCD'ye yeterince uzun süre maruz kaldığında, sonunda görüntünün en parlak kısmındaki "kutularda" toplanan elektronlar kutudan taşacak ve çiçeklenmeye neden olacaktır. CCD'nin yapısı, elektronların bir yönde diğerinden daha kolay akmasına izin vererek, dikey çizgilerle sonuçlanır.

Bir CCD'ye yerleştirilebilecek bazı çiçeklenme önleme özellikleri, bir drenaj yapısı için piksel alanının bir kısmını kullanarak ışığa duyarlılığını azaltır. James M. Early , ışık toplama alanından uzaklaşmayan ve bu nedenle ışık hassasiyetini düşürmeyen dikey bir çiçeklenme önleyici drenaj geliştirdi.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar